虚拟物体的力/触觉模型及再现技术研究进展

虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键.分析了虚拟物体的力/触觉模型及再现技术的研究难点.介绍了当前六种有代表性的力/触觉模型:自由式形变模型、3D ChainMail模型、弹簧-质点模型、有限元模型、Shape-Retaining Chain Linked模型、长单元模型,并在此基础上对这些模型的优缺点进行了比较.最后对力/触觉模型及再现技术的发展趋势进行了展望.     

虚拟物体力/触觉交互算法的研究进展

虚拟物体在受力作用时的力/触觉交互算法是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键。分析了虚拟物体力/触觉交互算法的研究难点。介绍了当前十一种有代表性的力/触觉交互算法,并在此基础上对这些算法的优缺点进行了比较。最后对力/触觉交互算法的发展趋势进行了展望。     

双通道触觉交互系统中牙科手术工具之间动态交互的力觉仿真

介绍了基于双触觉交互装置的双通道触觉交互系统（牙科手术训练系统）中动态工具交互仿真的分析和实现。动态工具交互是指探作者同时探作两台触觉交互装王导致虚拟环境中工具之间发生接触和碰撞的力觉仿真，它是双通道触觉交互牙科手术训练系统的重要组成部分。提出了计算工具和显示工具的概念，将图形显示与虚拟力的计算和输出解藕，保证了图形显示过程中，虚拟环境中的工具不会发生空间的重叠和干涉。同时，工具之间的交互被分为自由空间运动、碰撞和碰撞后挤压三个阶段，碰撞和挤压阶段分剐提出了虚拟力计算模型，保证了虚拟力计算和输出的快速性、逼真性和稳定性。     

基于碰撞检测的触觉渲染优化方法

提出了一种基于碰撞检测的触觉渲染优化方法，根据触觉设备的运动状态，在主线程中动态构造一个包围盒，使用方向包围盒（OBB）碰撞检测方法裁减掉大量的不可能“触摸？’到的三角面片集，只渲染可能“触摸’，到的三角面片来。实例分析表明优化后的触觉渲染算法占用时间基本不受场景中三角面片数量的影响，适合虚拟装配场景的触觉渲染。     

基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真

为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟,利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型;应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题;基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计;将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接,实现了力学信息的传送过程和力反馈设备终端获取力学信息的模拟,该仿真对整个力反馈过程的进行实现了验证。仿真结果表明:力反馈设备可以实时获取力学信息。该项研究将虚拟现实与虚拟样机技术相结合,基于力反馈器虚拟设计实现力反馈过程的仿真模拟,为虚拟手术系统前期设计提供参考和设计依据。     

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术.所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取.为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成.触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力.最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果.     

一种支持触觉反馈的膜组织变形仿真方法

针对一类面模型的软组织变形触觉仿真问题,提出了一种基于半边数据结构和AABBs（Aligned Axis Bounding Boxes）树结构混合的碰撞检测响应方法,命名为层次半边观察法,以适应触觉反馈计算的高帧率要求。触觉反馈仿真了膜组织的粘弹性力和粘滞性摩擦效果。粘滞性摩擦由修改的滞滑摩擦模型实现。膜组织的变形基于简单的质点弹簧模型建模。实验表明,提出的方法与单一的使用AABBs树结构方法相比,具有较高效率。记录的力反馈曲线清晰的反映了膜组织的粘滞性摩擦特征。该方法将是建立白内障虚拟手术仿真器的基础。     

基于虚拟样机的铲运机工作装置仿真及优化

针对铲运机工作装置传统设计方法的不足,提出在虚拟样机意义下的工作装置优化设计方法。根据铲运机工作装置的设计要求,建立了正转六杆工作装置的数字化样机模型和数学模型。采用虚拟样机技术对工作装置进行运动学和动力学仿真分析,针对仿真结果中存在的问题,采用智能优化算法进行优化设计,获得铲运机工作装置智能原型设计系统。对某型铲运机工作装置实施仿真优化,不仅实现了铲斗自动放平功能,铲斗平移性提高了90.13%,举升油缸的传力比提高了28.47%。     

虚拟维修拆卸序列智能规划研究

提出了基于虚拟拆卸Petri网的虚拟维修拆卸过程模型和基于混沌遗传算法的虚拟维修拆卸序列规划算法,解决了如何对虚拟维修拆卸序列进行智能规划的问题.基于拆卸优先矩阵和Petri网,提出了一种虚拟维修拆卸过程模型建立方法,研究了模型生成算法,运用多粒度可达图计算方法分析了可行拆卸序列,建立了拆卸序列规划目标函数,在改进遗传算法的基础上,提出了一种混沌遗传算法,该算法以遗传算法为主流程,利用混沌现象不重复遍历的特点优化生成初始种群,然后对每次迭代中的个体以一定的概率进行混沌优化,解决了虚拟维修拆卸序列规划效率不高的问题.经验证,虚拟维修拆卸过程模型和采用的混沌遗传算法能够有效解决虚拟维修拆卸序列智能优化的问题.     

智能下肢助力装置虚拟样机的联合仿真

尝试建立一种全新的智能助力装置虚拟样机模型,旨为提高下肢助力装置设计的效率与可靠性.将CATIA建立的机械模型导入ADAMS建立装置的三维虚拟样机模型,对助力装置的运动学及动力学进行了仿真验证,将虚拟样机模型与MATLAB/simulink结合,对助力装置动力学方程及搭建的控制系统进行联合仿真.根据人体的步态数据,采用PID控制算法对下肢助力系统进行控瓤仿真结果表明,下肢助力控制系统有较好的动态响应特性和轨迹跟踪能力.研究结果能及时发现装置存在的缺点与不足,为助力装置样机研制和电机选型提供了参考,也为实现装置的助力提供了重要的理论依据.     

力反馈汉字书法模拟的任务规划和逼真度评价方法

交互过程的任务规划和逼真度评价是力反馈模拟系统的两个重要问题。目标是针对汉字书写模拟建立人的触觉技能表达和逼真度评价模型。提出了分层任务规划方法。在任务层，将汉字的力觉引导过程分为形状引导和笔顺引导；在表达层，提出了状态变化图谱，描述笔尖与纸面的交互状态序列；在设备层，将上述状态序列映射为交互设备的控制指令序列。基于分层规划建立了交互状态空间映射匹配度模型，作为逼真度评价指标。采用力反馈设备Phantom desktop进行了系统实验，证明上述规划方法可以满足实时力觉引导的控制规律设计要求，逼真显示汉字书写过程的交互力。提出的逼真度指标可以定量地评价力觉显示的训练效果。     

实时力觉交互中的虚拟力计算及渲染方法

虚拟力计算和渲染是虚拟现实力觉显示系统的核心技术。针对人与虚拟环境通过工具进行接触交互的任务,讨论了提高力觉显示逼真度的方法。静态物体采用三角片模型,运动的虚拟工具采用质点模型。用均匀划分包围盒方法和基于三角片元素拓扑关系及最短距离迭代的方法,分别解决虚拟力计算的碰撞检测和碰撞响应问题。针对物体几何特征逼真度显示给出了渲染判据,实现了逼真度和稳定性的矛盾折衷。基于力觉交互设备Phantom,开发了力觉仿真系统平台,通过感知具有典型几何特征的物体形状,验证了虚拟力计算和渲染方法的有效性。     

面向支撑喉镜下声带手术的虚拟仿真系统

创建了一套具有力感觉的面向支撑喉镜声带手术的虚拟仿真系统,模拟了实际手术中的狭长操作环境,建立了声带、喉镜和手术工具的几何模型。在进一步构建声带物理模型和计算模型的基础上,仿真了声带在虚拟手术工具作用下的粘弹性变形过程,并通过碰撞检测模块的建立,实现了虚拟工具之间"体与体"的碰撞检测。     

触觉交互系统中牙齿网格模型被切削过程的图形仿真

介绍了在牙科手术训练触觉交互系统的虚拟手术环境中，通过构成牙齿的网格变形和剖分实现牙齿被切削时材料去除过程的图形仿真。在虚拟环境中，当工具切削牙齿时，所有进入工具空间范围的顶点都会沿着与工具轴线垂直的方向映射到工具表面，同时这个过程中产生的所有狭长三角片及其相关三角片都会被细分。通过网格变形和剖分算法可以动态的实现牙齿被切削过程的形状变化，图形显示逼真同时没有滞后。     

用于虚拟力觉再现的弹簧-质点力/变形模型研究

为提高虚拟力觉再现的精度与实时性,提出了一种弹簧-质点力/变形模型,它将物体以受力点为中心,沿径向方向分割为呈同心圆分布的弹簧-质点系统。系统中各个质点的相对位移的叠加对外等效为物体表面变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等于物体表面的接触力。该方法由于分割只涉及到发生变形的局部区域,不需要对整个物体进行大量的矩阵运算;进行了基于图像边缘检测的变形测量,推导了模型参数;基于此力变形模型,利用DELTA手控器,进行了柔性物体接触变形以及实时虚拟力反馈的半物理仿真。     

虚拟手术中缝合仿真的初步研究

初步实现了一个虚拟缝合仿真系统,可以模拟针穿刺柔性体并牵引所附缝合线穿过柔性体的过程。用户通过Phantom Desktop力反馈设备控制虚拟针的运动。柔性体在针和缝合线的作用下会发生变形。缝合线使用非均匀可变长刚性杆模型和FTL(Follow the Leader)变形算法。柔性体使用线弹性材料和Tensor-Mass变形算法。针穿刺柔性体时柔性体对针运动的阻力传给力反馈设备,而其反作用力则施加于柔性体之上。缝合线在针的牵引下穿过柔性体形成滑动约束点。缝合线的变形将在滑动约束点产生弹性力作用于柔性体之上,而柔性体的变形则反过来影响滑动约束点的位置。将约束点对应的缝合线顶点编号增加和约束点两侧刚性杆长度调整相结合,实现了缝合线光滑穿过柔性体的效果。最后给出对含有切口形状的柔性体模型进行缝合仿真的实验结果,并讨论未来的改进和发展方向。     

面向口腔临床操作的力觉交互装置控制系统设计与实现

正向和反向驱动性能决定了力觉人机交互系统的逼真性。控制系统的设计如同机械装置设计一样，是正向和反向驱动性能一项重要的影响因素。作者论述了力觉交互装置的控制系统设计与实现方法，并有效的控制设备完成了虚拟墙和虚拟牙面探查实验。首先，针对该系统的驱动性能指标，分析确定了系统的控制结构和实施方案，着重讨论了电机和驱动器的匹配选型和驱动性能，提出了电机选型的两条依据；然后讨论了系统硬件驱动函数库的开发与实现；最后通过虚拟墙和牙面探查操作实验，验证了系统在约束空间和自由空间的驱动性能。     

一种基于OpenHaptic的软组织有限元形变模型

OpenHaptic是基于PhanToM设备的力反馈模拟编程环境,与原来常用的GHOST SDK编程环境相比有着不可替代的优势;因此,在OpenHaptic环境下进行力反馈相关研究具有十分重要的意义。充分探究了采用OpenHaptic进行空间力反馈模拟的实现方法,在分析现有软组织形变模拟方法的基础上,根据软组织形变模拟对真实感与实时性的要求,建立了一种基于有限元计算模型的形变处理方法。实验结果表明软组织有限元形变模型在OpenHaptic环境下完全满足软组织形变模拟的真实感与实时性要求。较早地探究基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关实现技术并做出相应的研究成果对于基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关研究具有重要的参考价值。